Родилась 22 июня 1947 года в румынской Констанце. Детство провела в Мурманске. Её семья жила на улице Карла Маркса.
Фамилия Варлей — валлийская. Два брата Варлей, владельцы конного завода, переехали из Англии в Россию и женились на русских:
Папа рассказывал, что два брата Варлей были жокеями, но потом всплыла другая история: оказалось, они были владельцами конного завода. Оба женились на русских, но это было уже достаточно давно, и в моей крови целый коктейль из разных национальностей.
Отец — Владимир Викторович Варлей (4 июня 1919 — 6 июня 1999), участник Великой Отечественной войны, ст. лейтенант ВМФ СССР, в 1937—1941 годах учился в Черноморском высшем военно-морском училище в Севастополе, в 1941—1949 годах служил командиром военных кораблей на ЧФ и ТОФ. Воевал на Черноморском флоте в должностях командира БЧ-2 на ВТ, диварта 1 ДМОГБ, командира МО, отряда МО, БО, ТЩ. Участвовал в оборонах Севастополя и Крыма. Был ранен и контужен в 1945 году. Награждён орденом Красного Знамени, двумя орденами Отечественной войны I степени, орденом Красной Звезды и медалями. Окончил Военно-морскую академию в Ленинграде (1952), в 1949—1950 гг. работал в Главсевморпути. В 1952—1954 гг. начальник штаба морских операций западного района Арктики Главсевморпути, в 1954—1955 гг. зам. начальника Мурманского арктического пароходства, в 1955—1957 годах работал председателем Мурманского горисполкома. С 1957 года старший помощник капитана, капитан на судах Севрыбхолодфлота. В 1973 году руководимый им экипаж ТР «Иркутск» был занесен на флотскую Доску почета.
Мать — Ариадна Сергеевна Варлей (Сенявина; 6 ноября 1924—2013), родом из Вятки, внучка потомственного горного инженера Е. Н. Барбота де Марни, потомка выходцев из Франции.
Младшая сестра — Ирина Владимировна Варлей (р. 13 сентября 1953), окончила инженерно-строительный факультет МИСИ и художественное училище, работает в Госархиве.
В 4 года начала писать стихи, затем училась в музыкальной школе, рисовала. Училась в школе № 8 до 8 класса. Много читала. В то же время она была очень болезненным ребёнком: у неё обнаружили ревмокардит и запретили заниматься в школе физкультурой. В конце 1950-х годов её семья поселилась в Москве, отец в то же время продолжал работу на мурманском «Севрыбхолодфлоте» старшим помощником капитана.
Однажды в цирковой кассе она увидела объявление о наборе детей 11—13 лет в детскую цирковую студию и поступила туда, в дальнейшем окончила с красным дипломом акробатическое отделение Государственного училища циркового и эстрадного искусства (1965) по специальности «Артистка-эквилибристка Союзгосцирка». Работала в разных городах в разных труппах эквилибристкой, в том числе в труппе Московского цирка на Цветном бульваре. Некоторое время выступала в одном номере со знаменитым клоуном Л. Г. Енгибаровым. Именно благодаря Енгибарову попала в кино. Одним из его приятелей был режиссёр Одесской киностудии Г. Э. Юнгвальд-Хилькевич. Однажды в 1966 году он пришёл на очередное представление в цирк на Цветном бульваре, увидел там будущую актрису и предложил ей сняться в своём новом фильме «Формула радуги». Она согласилась, и ей досталась маленькая роль медсестры.
Всесоюзную известность актриса получила уже после следующего своего фильма «Кавказская пленница, или Новые приключения Шурика» (1966), в котором играла главную роль комсомолки Нины. Жена режиссёра Леонида Гайдая, Нина Гребешкова, рассказывала, что на роль Нины он пробовал огромное количество актрис, но остановился на Наталье Варлей из-за её необычайного обаяния и юношеской непосредственности.
До 1967 года работала эквилибристкой Московского государственного цирка. После поступления в Театральное училище имени Б. В. Щукина на несколько лет прекратила сниматься. Первой после перерыва картиной стало «Золото» (1969) — экранизация одноимённого романа Бориса Полевого, в которой она снялась в роли машинистки госбанка Муси Волковой. В 1971 окончила Щукинское училище.
В 1971—1978 годах была актрисой МДТ имени К. С. Станиславского.
В 1984 году поступила в Литературный институт имени А. М. Горького.
В 1992 году записала грампластинку «На высшей точке единения», где исполняла песни на собственные стихи и музыку Николая Шершня. В 1994 году озвучивала героиню Вероники Кастро и несколько других героинь в популярном мексиканском телесериале «Дикая Роза».
В 1996 году во время президентских выборов поддерживала Геннадия Зюганова. В 1999 году вместе с другими артистами приняла участие в проекте Виктора Мережко и композитора Евгения Бедненко «Поют звёзды театра и кино», где выступила как исполнительница собственных песен. Итогом проекта стали концерты и музыкальный диск, выпущенный в США и продублированный «Радио МПС».
В 2003 году приняла участие в постановке частного театра «Империя Звёзд», в спектакле «Оскар». Руководитель мастерской театрального факультета МИТРО.
В 2009 году принимала участие в проекте Первого канала «Две звезды» в паре с Николаем Гнатюком.
В 2018 году вышла её книга «Канатоходка. Автобиография», где в одной из глав Наталья Варлей обвинила кинорежиссёра Леонида Гайдая в сексуальных домогательствах.